Tác nhân gây bệnh lao, Mycobacterium tuberculosis (MTB), là vi khuẩn hiếu khí. Vi khuẩn này phân chia mỗi 16 đến 20 giờ, rất chậm so với thời gian phân chia tính bằng phút của các vi khuẩn khác (trong số các vi khuẩn phân chia nhanh nhất là một chủng E. coli, có thể phân chia mỗi 20 phút). MTB không được phân loại Gram dương hay Gram âm vì chúng không có đặc tính hoá học này, mặc dù thành tế bào có chứa peptidoglycan. Trên mẫu nhuộm Gram, nó nhuộm Gram dương rất yếu hoặc là không biểu hiện gì cả. Trực khuẩn lao có hình dạng giống que nhỏ, có thể chịu đựng được chất sát khuẩn yếu và sống sót trong trạng thái khô trong nhiều tuần nhưng, trong điều kiện tự nhiên, chỉ có thể phát triển trong sinh vật ký chủ (cấy M. tuberculosis in vitro cần thời gian dài để lấy có kết quả, nhưng ngày nay là công việc bình thường ở phòng xét nghiệm).

Trực khuẩn lao được xác định dưới kính hiển vi bằng đặc tính nhuộm của nó: nó vẫn giữ màu nhuộm sau khi bị xử lý với dung dịch acid, vì vậy nó được phân loại là "trực khuẩn kháng acid" (acid-fast bacillus, viết tắt là AFB). Với kỹ thuật nhuộm thông thường nhất là nhuộm Ziehl-Neelsen, AFB có màu đỏ tươi nổi bật trên nền xanh. Trực khuẩn kháng acid cũng có thể được xem bằng kính hiển vi huỳnh quang và phép nhuộm auramine-rhodamine.

Phức hợp M. tuberculosis gồm 3 loài mycobacterium khác có khả năng gây lao: M. bovis, M. africanum và M. microti. Hai loài đầu rất hiếm gây bệnh và loài thứ 3 không gây bệnh ở người.